별 탄생의 비밀을 밝혀내다

[청빙]

우주에는 수많은 별들이 섬처럼 모여 있는 은하가 산재해 있다. 그 중 태양계가 포함되어 있는 ‘우리은하(our galaxy)’를 ‘은하계(galactic system)’라고 한다. 약 1000억 개의 항성과 성단 및 성간 물질로 이루어져 있다.

은하계에서는 극초단파 방사선이 퍼져 나온다. 오래 전부터 과학자들은 이 방사선이 어디서 나오는지 의문을 품고 연구를 진행해왔다. 그리고 20년 전 신생 별 주변을 소용돌이치면서 돌고 있는 거대한 구름 띠를 통해 이 방사선이 방출되고 있다는 사실을 발견했다.

그리고 매우 작은 탄소 분자들이 구름 띠를 구성하고 있다는 결론에 도달했다. 하지만 그것이 전부였다. 지난 20년 간 그 이상의 새로운 사실을 밝혀내지 못하고 있었다. 그러나 최근 과학자들이 베일에 싸여 있던 이 수수께끼를 밝혀내고 있다.

호주에 있는 전파망원경 ATCA(Australia Telescope Compact Array), 미국에 있는 그린뱅크 망원경과 협력해 우주에서 방출되는 극초단파 방사선의 비밀을 밝혀냈다. ⓒATCA

다이아몬드 입자에서 극초단파 방출

12일 ‘가디언’ 지에 따르면 과학자들이 미국과 호주에 있는 우주망원경을 통해 지구로부터 500광년 떨어진 별들 주변을 돌고 있는 먼지가 돌고 있는 것처럼 보이는 다이아몬드 입자(탄소 결정체)의 띠를 상세히 관측하는데 성공했다고 보도했다.

미국, 영국, 독일 등의 천문학자들이 참여한 국제 공동연구팀은 미국 웨스트버지니아 주에 있는 GBT(Green Bank Telescope)과 호주 뉴 사우스 웨일즈 주에 있는 ‘ATCA(Australia Telescope Compact Array)’ 등 전파망원경을 활용했다.

그린뱅크 망원경이라 불리는 GBT는 조종이 가능한 전파망원경 중 가장 큰 망원경으로 높이가 148m, 무게 는 7600톤에 달한다.  ATCA는 작은 망원경을 여러 대 설치한 후  수신한 신호를 합성해 분석할 수 있는 구경합성(aperture synthesis) 기능을 지니고 있다.

연구에 참여한  GBT와 ATCA에서 수집한 데이터를 종합해 지구에서 수신되고 있는 이 극초단파 방사선이 새로 탄생한 별들로부터 방출되고 있다는 사실을 확인했다. 이 신생 별들은 엄청난 양의 다이아몬드 입자들로 둘러싸여 있었다.

직경이 100만분의 1 mm에 불과한 이 입자들은 매우 빠른 속도(수백억분의 1초)로 회전하면서 끊임없이 충돌하고 있었으며, 이 충돌의 여파로 밝게 빛나며 지구에서 관측할 수 있는 극초단파 방사선을 방출하고 있었다.

관련 이 논문은 천문학 분야 세계적인 국제 학술지 ‘네이처 애스트로노미(Nature Astronomy)’에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Anomalous microwave emission from spinning nanodiamonds around stars’이다.

공동연구에는 논문 주저자인 독일 항공우주센터(DLR)의 스미스(A. M. S. Smith) 박사, 영국 카디프 대학의 그리브스(J. S. Greaves) 교수, 영국 맨체스타 대학의 스케이프(A. M. M. Scaife) 교수, 미국 그린뱅크 관측소의 프레이어(D. T. Frayer) 박사 등이 참여했다.

다이아몬드 입자 연구로 빅뱅의 비밀 추적  

이번 연구 논문이 발표되기 전까지 많은 과학자들은 이 마이크로파가 ‘다환 방향족 탄화수소 (polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)’라 불리는 탄소 성분이 풍부한 분자 알갱이들로부터 방출되는 것으로 알고 있었다.

연구팀이 이런 주장에 의문을 품게 된 것은 1996년 NASA에서 발표한 우주방사선 지도를 보면서부터다. 당시 NASA의 코비(Cobe) 위성을 통해 관측한 방사선 지도 안에 설명하기 힘들 정도로 매우 밝은 부분이 있었다.

카디프 대학의 제인 그리브스 교수는 의문을 품고 우주방사선 지도를 분석했다. 그리고 이처럼 밝은 극초단파 방사선이 기존 학자들이 주장하는 것처럼 모두  PAHs 구름띠로부터 방출되고 있지 않고 있다는 사실을 확인할 수 있었다.

그러다 우연한 기회에 그 수수께끼를 풀 수 있었다. 그리브스 교수는 수많은 행성들이 어떻게 생성되고 있는지 관심을 갖고 14개의 신생별을 대상으로 별 주변을 돌고 있는 가스와 먼지 벨트를 관찰하고 있었다.

그리고 데이터를 분석하던 중 새로운 사실을 발견한다. 밝은 신생별 주변을 둘러싼 구름 띠로부터 스파크 현상이 일어나고 있었다. 교수는 그의 동료인 맨체스터 대학의 안나 스케이프 교수와 함께 이 스파크 현상을 상의했다.

스케이프 교수는 2개의 별 주변을 둘러싼 구름 띠로부터 스파크 현상을 관측한 최초의 인물이다. 두 사람은 그리브스 교수가 관측한 또 다른 별에서 같은 결과가 나왔을 경우 마이크로파 방사선의 수수께끼를 풀 수 있을 것으로 판단했다.

함께 연구를 진행하면서 놀라운 사실이 확인됐다.   두 사람은 북쪽 하늘에 있는 타우루스 성좌의 ‘V892 Tau’, 카멜레온 성좌의 ‘ HD 97048’, 뱀자리 성좌의 ‘MWC 297’ 등 3개의 신생별에서 스파크 현상을 정밀 관찰할 수 있었다.

이들 3개의 별은 20~50 GHz(기가 헤르츠)의 극초단파를 방출하고 있었다. 또한 극초단파를 방출하고 있는 다이아몬드 입자들의 직경이 백만분의 1 mm 정도(0.75~1.1)로 나노 수준의 매우 작은 크기임을 확인할 수 있었다.

또한 이 수많은 입자들이 빠른 속도로 회전하고 충돌하면서 마이크로파를 방출하고 있는 사실을 발견했다. 마이크로파를 방출하면서 생성되고 있는 이들 신생별 들의 크기는 태양계 가장 안쪽에 있는 행성인 수성 정도였다.

공동연구팀은 현재 마이크로파를 방출하고 있는 다이아몬드 입자들이 어떻게 생성됐는지 그 원인을 분석하고 있는 중이다. 폭발한 별들로부터 분산된 것인지, 혹은 가열된 탄소로부터 생성된 것인지 우주 생성의 비밀을 밝혀내고 있다.